DE2709945C2

DE2709945C2 - Kapazitiver Druckwandler

Info

Publication number: DE2709945C2
Application number: DE19772709945
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Chatsworth Calif. Bell; Fred Woodland Hills Calif. Kavli; Robert Anaheim Calif. Willing
Original assignee: KAVLICO CORP CHATSWORTH CALIF US
Current assignee: KAVLICO CORP CHATSWORTH CALIF US
Priority date: 1976-03-12
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1986-07-17
Also published as: FR2344006B1; FR2344006A1; GB1563894A; JPS52123283A; DE2709945A1; JPS6034687B2

Description

; 3 4

~^;- und bracht Dies kann durch Auf plattieren. Aufsprühen,

•TV F i g. 2 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbei- durch Siebdruck, Aufbrennen oder in einer anderen be-

:: spiels gemäß F i g. 1 entlang der Linien 2-2. kannten Weise erfolgen. Danach wird eine Glasfritte

i| Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte kapazitive Druck- oder ein entsprechendes keramisches Dichtungsmateri-

f? wandler 31 weist zwei Tragplatten in Form von dünnen 5 al 32 im Umfangsbereich der die Beläge tragenden ;-i; Scheiben 2 und 4 aus einem elektrisch isolierenden Ma- Oberflächen der Trägerplatte 2 und/oder 4 in geeigne- : terial auf. Auf jeder der beiden Trägerplatten 2 und 4 ist ter Dicke aufgebracht Die beiden Platten werden so-

: .< eine dünne, durchgehend ebene, zentrale Leiterschicht 6 dann über die Glasfrittenschicht derart aufeinandergei. und 8 aus Metali niedergeschlagen. Die zentralen leiten- legt, daß die leitenden Belagschichten 6 und 8 durch Γ- den Schichten 6 und 8 bilden kreisförmige Belagschich- 10 einen Spalt getrennt einander gegenüberliegen. Der auf fe ten des kapazitiven Druckwandlers 31. Von den zentra- diese Weise zusammengefügte Druckwandler 31 wird 3; len Belagschichten 6 und 8 gehen Leiterschichten 10 und danach gebrannt, wodurch die Glasfritte 32 zum .'f^!j 12 aus Metall ab, welche als Anschlußleitungen dienen, Schmelzen kommt Wenn die Glasfritte 32 geschmolzen v? sich über den Außenrand der Trägerplatten 2 und 4 ist, sind die beiden Trägerplatten 2 und 4 nicht nur blei- :J. erstrecken und in elektrische Leitungsabschnitte 14 und 15 bend miteinander verbunden, sondern es ergibt sich ■?]i 16 übergehen. Im Umfangsbereich einer zwischen den auch eine Dichtung entlang ihrer Peripherie. Ein Ab- ;< beiden Trägerplatten 2 und 4 gebildeten, dicht abge- Standshalter zwischen den beiden Glasplatten ist dabei -·; schlossenen Innenkammer ist eine den Abstand zwi- nicht erforderlich.

g sehen den Trägerplatten definierende geschmolzene Wenn auf den beschriebenen kapazitiven Druck-

■g Glasfritte 32 angeordnet, durch die die Anschlußleitun- 20 wandler 31 ein Druck einwirkt, so £?<dert sich der Ab-Il gen 10,12 jeweils in der Ebene der zugehörigen leiten- stand zwischen den beiden Trägerpiatien 2 und 4 im 'yi den Belagschicht 6,8 nach außen geführt sind · Bereich der wirksamen Membranen) entsprechend der

Il Die Trägerplatten 2 und 4 bestehen aus einem elek- Größe des wirksamen Drucks. Wenn die beiden Träger-

Il trisch isolierenden, im wesentlichen hysteresefreien Ma- platten zusammengedrückt werden, ändert sich die Ka-If terial, z. B. aus Aluminiumoxid, geschmolzener Kieseler- 25 pazität des Druckwandlers. Die Kapazitätsänderung ist s$ de bzw. Quarzglas oder Pyrexglas. Die Glasfritte ist so daher eine Funktion des Drucks, und der Wandler läßt ;)'| gewählt, daß sie ähnliche thermische Ausdehnungskoef- sich so eichen, daß eine bestimmte Kapazität einem bepi fizienten wie das Material der beiden Trägerplatten hat stimmten auf den Druckwandler wirkenden Druck ent- % Wenigstens eine der beiden Trägerplatten 2 und 4 ist spricht Die Kapazitätsänderung kanr? mit Hilfe einer

U als elastische Membran ausgebildet und im Bereich der 30 bekannten elektronischen Schaltung gemessen werden. ■'.] von der Glasfritte 32 umgebenden Innenkammer aus- Eine geeignete Schaltung ist beispielsweise eine Wheat-J-lenkbar. Der eine leitende Belagschicht 6 tragende aus- stonesche Reaktanzbrücke.

H lenkbare Teil der elastischen Membran 2 hat bei Ver-

Wendung von Aluminiumoxid (Tonerde) als Plattenma- Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

i terial in typischer Ausführung eine Dicke zwischen etwa 35

- 0,025 cm und 1,27 cm. Der zwischen den beiden Innen-

5 flächen der Trägerplatten 2 und 4 gebildete enge Spalt

in der Größenordnung von 2,5 μπι bis 0,5 mm und die

"i Dicke des auslenkbaren Teils der elastischen Membran

sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die Membran 40
2 oberhalb einer vorgegebenen Druckbelastung, d.h.
unter Überlastdrücken, bis zur Anlage an der Innenflä-
: ehe der anderen Trägerplatte 4 ausbeulen kann. Hierdurch wird eine Beschädigung des Druckwandlers 31
verhindert Die aus der Glasfrittenschicht 32 nach außen 45
vorstehender» Leitungsabschnitte 14 und 16 können gegebenenfalls um den Außenrand der unteren Trägerplatte 4 nach unten abgebogen und gegen die Unterseite der Trägerplatte 4 umgeschlagen sein. Wenn nur die
eine Trägerplatte 2 elastisch auslenkbar sein soll, wird so
die andere Trägerplatte 4 wesentlich dicker ausgebildet.
In diesem Falle kann an der Außenseite der dickeren
Trägerplatte 4 eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Hybridschaltung zur Messung einer Kapazitätsänderung angeordnet sein. 55

Der Innenraum zwischen den beiden Trägerplatten 2
;; und 4 kann entweder hermetisch abgeschlossen oder
Pi durch eine geeignete Öffnung in einer der Platten zum
; Druckausgleich nach der Umgebung hin belüftet sein. In

■" dem zuletzt genannten Falle sollte im Verbindungsweg 60
zur Umgebungsatmosphäre ein Filter eingebaut sein,
um Verunreinigungen vom Spalt zwischen den beiden
Trägerplatten 2 und 4 bzw. den beiden Belagschichten 6
und 8 fernzuhalten.

Bei der Herstellung des Druckwandlers 31 werden 65
zunächst die leitenden Belagschichten 6,8 mit den ihnen
zugeordneten Anschlußleitungen 10 und 12 auf jeweils
einer Seite der beiden Trägerschichten 2 und 4 aufge-

Claims

1 2 29 99 385,30 27 769 und 38 59 575 gezeigt Patentansprüche: Aus der DE-OS 22 21 062 ist es für einen kapazitiven Druckwandler zur Erzielung eines von Temperaturän-

1. Kapazitiver Druckwandler mit zwei Trägerplat- derungen unabhängigen Meßsignales bekannt. Dünnten aus einem elektrisch isolierenden, im wesentli- 5 filmwiderstände auf die Träger der kapazitiven Beläge chen hysteresefreien Material, die in gegenseitiger durch Aufdampfen oder Aufsprühen aufzubringen. In Ausrichtung gehalten sind, im Mittelbereich gegen- einer Brückenschaltung werden durch Temperatureinseitig beabstandete, parallele ebene Innenflächen flüsse bedingte Meßwertänderungen auskompensiert, aufweisen und im Umfangsbereich unter Bildung ei- Der Körper des Druckwandlers ist aus zwei sctwdenähnner dicht abgeschlossenen Innenkammer zwischen 10 liehen Teilen aus dielektrischem Material, wie Glas oder den parallelen Innenflächen durch eine geschmolze- Quarz, gebildet die verschmolzen sind. Die Herstellung ne, den Abstand definierende Glasfritte miteinander der schalenförmigen Teile ist wegen der Genauigkeitsverbunden sind, wobei die Glasfritte und die Träger- anforderung sehr aufwendig.

platten aus Materialien mit ähnlichen thermischen Ein kapazitiver Druckwandler ähnlich der eingangs

Ausdehnungskoeffizienten bestehen, und mit auf 15 genannten Art ist aus der DE-OS 20 2t 479 bekannt Die den parallelen Innenflächen im Mittelbereich der elektrischen Anschlüsse an die Kondensatorbeläge die-Trägerplatten in gegenseitiger Ausrichtung befe- ses bekannten Druckwandlers sind in einem Winkel zustigten, durchgehend ebenen Schichten aus elek- einander auf einer Seite des Druckwandlers herausgetrisch leitendem Material, die mit durch den Um- führt, was die Herstellung insbesondere von sehr genau fangbereich nach außen geführten Anschlußleitun- 20 arbeitenden kapazitiven Druckwandlern erschwert gen verbunden sind, wobei wenigstens eine Träger- Auch ist ein Schutz gegen kurzzeitige Oberdrücke nicht platte eine elastische Membran aufweist, die eine der vorhanden.

parallelen Innenflächen bildet, und die leitenden Die Verwendung einer geeigneten Glasfritte zum

Schichten die Beläge eines Kondensators bilden, Verbinden von Quarzgläsern ist an sich bekannt
dessen Kapazität sich entsprechend der durch Druck 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen über hervorgerufenen transversalen Auslenkung der ela- lange Zeitperioden und weite Temperaturbereiche mit stischen Membran ändert, dadurch gekenn- hoher Genauigkeit arbeitenden kapazitiven Druckzeichnet, daß die Anschlußleitungen (10,12) je- wandler zur Verfugung zu stellen, der leicht und mit weils in der Ebene der zugehörigen leitenden Belag- geringem Aufwand herstellbar ist und der durch seine schicht (6, 8) durch die Glasfritte (32) abgedichtet 30 konstruktive Ausbildung einen Schutz gegen Überlastnach außen geführt sind und daß der auslenkbare drücke besitzt

Teil der elastischen Membran (2) so ausgebildet und Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die

auf einen engen (2p" μιη — Op mm) Spalt zwischen kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vor.
den Innenflächen der beiden Trägerplatten (2,4) ab- Dadurch, daß die leitenden Belagschichten mit den

gestimmt ist, daß sich die Membran (2) oberhalb 35 Anschlußleitungen in einer Ebene liegen, können hohe einer vorgegebenen Druckbelastung bis zur Anlage Genauigkeiten in bezug auf die Parallelität und auch an der Innenfläche der anderen Trägerplatte (4) aus- sehr geringe Abstände der Trägerplatten erreicht werbeult den. Letzteres erlaubt den Abstand der Trägerplatten

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch ge- im Verhältnis zu ihrer Elastirität se zu bemessen, daß kennzeichnet, daß eine der beiden Trägerplatten (2, 40 bei Oberlastdrücken die Auslenkung der Membrane 4) die elastische Membran (2) aufweist und die ande- durch das Anlegen an der Gegenträgerplatte begrenzt re Trägerplatte (4) wesentlich dicker ausgebildet ist und damit eine Zerstörung des Druckwandlers verhin- und daß eine die Kapazitätsänderung messende dert wird. Die mit dem Druckwandler zusammenarbeielektronische Schaltung außen auf der dicken Trä- tende, die Kapazitätsänderung messende elektronische gerplatte (4) angebracht ist 45 Schaltung kann natürlich im Augenblick des Kontaktes

der beiden leitenden Belagschichten (Kurzschluß) keine

exakte Druckmessung mehr durchführen.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers liegt in dessen einfacher Herstel-

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven 50 lung. Bei der Herstellung des Druckwandlers wird der Druckwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruches über den Plattenumfang nach außen vorstehende An-1. srhlußabschnitt jeder leitenden Schicht in eine Ebene

Die Bestimmung des Gas- oder Flüssigkeitsdrucks ist mit deren Mittelbereich gelegt, sodann wird entlang des für viele meß- und regelungstechnische Aufgaben not- Umfangsrandes und über den Anschlußabschnitt wenigwendig. Ebenfalls häufig braucht man eine Vorrichtung 55 stens einer der beiden Platten eine Glasfritte aufgezur Messung des Drucks von Strömungsmedien in Ma- bracht, und dann werden die beiden Platten über die schinen und Anlagen. Glasfritte unter Herstellung einer Umfangsdichtung

Kapazitive Druckwandler haben gegenüber piezo- zwischen den Platten miteinander verbunden. Diese einelektrischcn Druckwandlern und solchen, die mit Deh- fache Verfahrensweise und die Verschmelzung mit nur nungsmeßstreifen arbeiten, eine bessere Temperatur- 60 einer Glasfritte ist möglich, weil nach den Merkmalen und Zeitstabilität und sind auch empfindlicher und ge- des erfindungsgemäßen Druckwandlers die Anschlußnauer. Sie bedingen jedoch einen sehr aufwendigen und leitungen jeweils in der Ebene der zugehörigen leitenkomplizierten Herstellungsprozeß. Da in ihnen bei typi- den Belagschicht liegen.

scher Ausführung unterschiedliche Materialien verwen- Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der

det werden, ergeben sich Probleme durch die unter- 65 Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die zu läutert. In der Zeichnung zeigt

einer schlechten Wiederholbarkeit führen.Typische ka- Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel

pazitive Druckmeßgeräte sind in den US-PS'n des erfindungsgemäßen kapazitiven Druckwandlers;